一种新的光伏概念利用材料以不同晶相存在的能力

物理和光子材料综合中心(IAPP)的YanaVaynzof教授小组和德累斯顿工业大学德累斯顿先进电子学中心(cfaed)展示了一种太阳能电池的新概念，该概念利用了材料存在的能力不同的晶相。相关研究现已发表在《自然能源》杂志上。

光伏电池的目的是将阳光转化为电能。通过吸收阳光，产生电荷载流子对，然后需要将其引导至光伏二极管的相对侧以产生电流。为了促进这一过程，大多数太阳能电池都包含一个异质结，它提供了一个有利的能量景观来驱动电荷分离。

例如，硅太阳能电池通过对器件的每一侧进行电掺杂形成异质结，从而形成pn结。另一方面，有机太阳能电池依靠混合不同类型的材料(供体和受体)来形成本体异质结。然而，这些概念通常不适用于新兴类别的新型光伏材料。

Vaynzof教授和她的团队现在展示了一个全新的光伏异质结形成概念。为此，研究人员利用了这样一个事实，即材料通常可以以不同的结构配置存在，称为晶相。

这种现象称为多态性，意味着同一种材料可以表现出不同的特性，这取决于其结构中原子和分子的特定排列。通过将相同材料的两个这样的相连接起来，Vaynzof教授和她的团队首次展示了相异质结太阳能电池的形成。具体来说，研究人员选择了处于β和γ相的铯碘化铅钙钛矿——一种高效的太阳能电池吸收材料——来实现他们的新概念。

“铯碘化铅在其β和γ相中的光学和电子特性彼此不同，”Vaynzof教授解释说。“通过在β钙钛矿之上放置一个γ钙钛矿，我们能够制造出一种相异质结太阳能电池，与基于单相钙钛矿的太阳能电池相比，它的效率要高得多。”研究人员在他们的研究中表明，伽马相的顶层以多种方式影响太阳能电池的性能。

“由于底层表面缺陷的钝化，即使是薄层的伽马钙钛矿也会导致性能提高。较厚的伽马相层导致所有光伏性能参数显着改善，冠军设备达到了功率转换效率超过20%，”该研究的第一作者RanJi补充道。

“高级光谱分析表明，这种性能的提高与光吸收的增加以及两相之间有利的能量排列的形成有关，”Vaynzof教授解释说。

重要的是，研究人员证实，相异质结在太阳能电池运行期间保持稳定，甚至抑制太阳能电池吸收器中的离子迁移，解决了钙钛矿材料的常见问题。

为了实现相异质结概念，科学家们对顶层和底层采用了两种不同的制造工艺。这种多才多艺的方法为将来形成其他此类结构开辟了道路。“我们希望这个新颖的概念与简单的相异质结制造路线相结合，也将适用于一系列电子和光电设备中的各种材料系统，”Vaynzof教授说。

由于许多半导体类别都表现出多态性，因此该概念可以为基于相异质结运行的全新应用铺平道路，这些应用可以使用简单且廉价的制造工艺从单一材料创建。